Eficiência energética não se constitui em utilizar menos energia em valor aritmético, mas na menor debelaçãoexergética em transformações
Considerações gerais
A obtenção dos parâmetros estabelecidos por Legislação e Normas Técnicas para controle da umidade deve nortear os critérios de conceituação e implementação de instalações de tratamento e distribuição de ar em Sistemas de AVAC.Para ambientes ocupacionais devem-se adotar como limites do intervalo, por razões de conforto, de salubridade e desempenho cognitivo, umidades relativas entre 40% e 60%.
A Ashrae, na Standard-55, estabelece, ainda, uma temperatura de orvalho do ar máxima 16,8°C, que deve ser atendida mesmo durante o recesso operacional, com vistas a mitigar a geração de fungos e mofos, o que se torna crítico ao ser ultrapassado o valor de 80% para a umidade relativa.
Já para ambientes ocupados por processos industriais, a umidade deverá ser atendida para o requisito exigido pelo processo, sem prejuízo dos parâmetros já citados para ambientes ocupacionais.O cumprimento do requisito tem influência importante na qualidade do produto objeto do respectivo processo.
A eficiência energética e a eficácia operacional para obtenção de parâmetros de controle da umidade – absoluta e/ou relativa – em ambientes climatizados destinados a conforto térmico ou processos industriais apoiam-se, fundamentalmente, nas ciências Psicrométricas e Termodinâmicas; a Psicrometria como indutora, e a Termodinâmica como executora.
Não tenho dúvida em afirmar que o processo THIC – Temperatura e Umidade comControle Independente – estabelece os caminhos tanto para a eficácia, quanto para a eficiência energética.Ainda mais, o processo de desacoplamento total entre cargas proporciona obter o escalonamento energético entre o uso da energia primária e a obtenção da energia secundária de natureza térmica, dando oportunidade à hierarquia e à circularidade no uso, com minimização de perdas exergéticas.
Poupa-se exergia, na proporção relativa da exigência da carga a atender, sobrepondo o fator qualidade à quantidade, em decorrência do arranjo em cascata – quer seja na “produção”, quer seja no “consumo” – considerando a aplicação focada na 1ª Lei e na 2ª Lei.
Eficiência energética não se constitui em utilizar menos energia em valor aritmético – menor somatório da energia primária – mas, na menor debelaçãoexergética em transformações, ensejando que resíduos possam constituir-se em insumos. Do contrário, não haveria respaldo para uso de processos de desumidificação por dessecagem – cujo COP térmico tem valor 0,6 – em detrimento de processo por resfriamento mecânico com COP termodinâmico 10 vezes maior, porém exigindo energia primária da qualidade mais alta(q = 1,00).
A justificativa única, pois, para adoção de tal desproporção de quantidade de energia primária, para obter idêntica quantidade de energia térmica e de mesma qualidade (desumidificação do ar para uma mesma temperatura de orvalho), é a disponibilidade de energia primária de baixa qualidade, compatível com a exigência da carga a atender. No caso do processo dessecante, o aquecimento do fluxo de ar para reativação do rotor dessecante – com temperatura do ar a95°C (qualidade 0,20), oriunda de rejeito de processo de maior exigência, resulta em quantidade 10 vezes maior de energia primária para a mesma quantidade e classe de energia secundária,porém de qualidade 5 vezes inferior, com fluxos arranjados em cascata hierárquica.Esse procedimento é possível de obter-se em instalações que co-utilizam frio e calor, com uso de boilers por condensação que empregam combustível como energia primária, aproveitando rejeitos térmicos da combustão que seriam descartados, ou em processos de cogeração de energia, mecânica e térmica.
Deve-se considerar quea entalpia do ar antes e após a dessecagem é idêntica, havendo uma permuta entre calor latente e sensível e, como resultado, a temperatura, que se eleva, pode ser reduzida por trocade calor com água recirculada em torres de resfriamento – com COP 20 vezes superior ao correspondente a resfriamento por compressão mecânica – porém, com temperatura limitada a cerca de 5°C acima da temperatura de bulbo úmido do ar externo do local.
Pode-se alcançar a mesma entalpia do ar interno para o ar externo tratado, à temperatura de bulbo seco32°C e temperatura de orvalho da ordem de 6°C, suficiente, na maioria dos casos, para obter a temperatura de orvalho do ar interior (±13°C), sem recorrer a desumidificação adicional,permitindo operar com altas temperaturas de resfriamento, como se verá mais adiante. A integração entre processos desempenha papel essencial na prática da eficientização energética e da descarbonização, visão holística do universo energético do complexo, não a visão holística exclusiva de um processo.
Caso de desumidificação por dessecagem com reativação por resíduos térmicos
A edição de março/2025 da Revista A + C&Rpublicou relato de integração exergética em supermercado. A desumidificação do ar do sistema de climatização realizada por procedimento dessecante, integrado ao sistema de frio alimentar, possibilitou o aquecimento do fluxo de ar de reativação do elemento dessecante, com uso 100% de energia térmica oriunda do processo de arrefecimentoda condensação do sistema de frio alimentar – uso zero de energia primária nobre – e como contrapartida do aquecimento do ar após desumidificado, procede o aquecimento de água para o sistema de consumo doméstico até 45°C, sendo o arrefecimento completado por água recirculada em torre de resfriamento, alcançando entalpia abaixo da do ar interior e permitindo adotar-se 12°C para a temperatura de suprimento da água gelada para a climatização, com cargas 100% desacopladas em processo THIC.
Essa instalação foi implantada em 2001 e confirmou todos os pressupostos operacionais e de desempenho admitidos.
Exemplo de integração em equipamento comercial de linha
Catálogo técnico de renomado fabricante divulga equipamento constituído por sistema híbrido– refrigeração mecânica + dessecagem – para tratamento de ar exterior – DOAS.A explanação informa que o equipamento objeto da divulgação utilizacompressor de potência nominal 18 TR para uma vazão de ar 2.832 L/s (6.000 CFM), enquanto equipamento tradicional de refrigeração mecânica utilizaria compressor de potência nominal 33,5 TR, ambos empregando dispositivo ERV (Recuperador de Energia de Ventilação).
Isso corresponderia a uma distorção de 86%, para mais.
Abordagem sobre a exposição
O sistema híbrido recebe o fluxo de ar externo previamente tratado em processo ERV constituído por rotor dessecante passivo em contrafluxo com ar de expurgo a24°C e 50% UR, o mesmo ocorrendo em relação ao sistema que classifica como tradicional de resfriamento/reaquecimento.À saída do estágio por refrigeração mecânica, o ar está sob condições psicrométricas TBS = 14°Ce RU 10 g/kg. A evolução no estágio dessecante ocorre sob entalpia constante – desumidificação contra aquecimento – para cada2,5°C de acréscimo na temperatura de bulbo seco, ocorre decréscimo de 1 g/kg na relação de umidade.Assim, para a considerada neutralidade da temperatura em relação à do ambiente interior (24°C), há uma disponibilidade para aquecimento de 10°C, o que resulta em uma capacidade de desumidificação de 4 g/kg e, como decorrência, 24°C e 6 g/kg na insuflação do ar tratado na unidade DOAS/ERV por refrigeração hibrida com reativação pelo arrefecimento da condensação do processo mecânico.
A inclusão do processo dessecante não altera a potência desenvolvida pelo conjunto, uma vez que se trata de uma transformação isentálpica, apenas altera a composição sensível/latente da potência, transformando-a de 75%/25% para 25%/75%, com participação zero na carga térmica sensível interna e potência 9 TR para desumidificação do espaço interior. O restante da potência é utilizado no complemento do tratamento psicrométrico do ar até a neutralidade para 24°C e 50% UR.
A hipótese de prover capacidade sensível de resfriamento da carga térmica interna comprometeria a eficácia para adsorção da carga latente interna pois, ao limitar o Dt disponível para o processo dessecantea5°C (insuflação a19°C)– resultaria em queda de 50% da capacidade de desumidificação – alvo de processo – sem preencher a capacidade de resfriamento necessária.
O sistema utilizado como referência comparativa forneceria capacidade de desumidificação idêntica para a carga do ambiente interno (9 TR). Já uma utilização racional da potência de resfriamento sensível, empregando-a como potência útil em vez de aplicar reaquecimento de 7°C até 24°C, seria obtida por meio de um desdobramento em dois estágios: o primeiro, entre 7°C e 13°C (temperatura de orvalho do ambiente interno), e o segundo, entre 13°C e 24°C, este dedicado ao resfriamento da carga sensível interna.
Esses estágios representam, respectivamente, 5,4 TR (o 1º) e 10,0 TR (o 2º), sendo que o 1º estágio é realizado contra a água de retorno a18°C, obtendo 100% de aproveitamento das 33,5 TR de produção de frio atribuídas no estudo comparativo ao intitulado sistema tradicional resfriamento/reaquecimento (18 + 5,4 + 10), transferindo para a carga28 TR emcomposição sensível/latente 50%/50%, contra 18 TR (> 56%)e devolvendo 5,4 TR (30%) à geração de frio, com usufruto 100% e com COP 5,4 – contra algo entre 3,0 e 4,0.
Este estudo comparativo foi por nós apresentado na edição 2012 do Sannar (Salão Norte-Nordeste de Ar-Condicionado e Refrigeração), ocorrido no Recife.
Processo por desacoplamento total, escalonamento exergético hierárquico, reaquecimento com debelação nula e contribuição à otimização da QAI e à descarbonização da economia
Está apoiado no conceito de baixa exergia – altas temperaturas de resfriamento e baixas temperaturas de aquecimento.A inversão, ao longo do avanço do processo de tratamento do ar em unidades DOAS (UTAEs), enseja que o resfriamento seja concluído a18°C (retorno da água gelada à CAG), enquanto o reaquecimento do ar desumidificado sob o processo de resfriamento profundo (até a temperatura de orvalho 6°C), torna-se o fluido frio que é pós-aquecido em troca do pré-resfriamento da água, em processo run-around, resultando em debelaçãoexergética nula – o ar sendo aquecido de 7°C para 13°C em troca do resfriamento da água de 18°C para 14°C – que segue para alimentação dos processos de resfriamento radiante, retornando à CAGa temperatura de18,5°C.
O processo de pós-aquecimento/pré-resfriamento em unidades DOAS resulta em evitar 16% de potência efetiva de frio em relação à demanda de pico e em evitar potência equivalente na geração de calor, além de evitar 100% de emissões de CO2que decorreriam da prática de aquecimento por combustão para uso em reaquecimento.
Comparando-se o processo de tratamento de ar externo por desacoplamento total entre cargas (THIC, que adota resfriamento profundo para obter desumidificação intensiva do ar), constata-se um arranjo em cascata entre fluxos de fluidos primário, que resfria, e secundário, que é resfriado. Obtém-se uma temperatura de orvalho do ar de 6°C, o que requer o resfriamento da água até 4°C.Porém, esse processo oportuniza o arranjo em cascata na produção do frio, com um balanço altamente superavitário em relação ao perfil energético, tanto na potência disponibilizada quanto no quociente potência térmica por potência elétrica em regime.
A 2ª Lei da Termodinâmica – que rege a operação das máquinas de refrigeração por compressão mecânica – estabelece que, para cada grau K de acréscimo na temperatura saturada de evaporação – para a mesma temperatura saturada de condensação – obtém-se cerca de 5% de melhoria do COP, bem como, acréscimo da potência efetiva pela maior vazão mássica de fluido frigorígeno para um mesmo deslocamento volumétrico do compressor.
O desacoplamento entre cargas resulta em reduzir 2°C em 20% do fluxo, mas permite elevar em 7°C os restantes 80%, ensejando um acréscimo de 15% de potência efetiva em relação à nominal, e uma redução de 30% no uso da energia primária de acionamento do processo.O processo THIC traz contribuição também para a otimização da QAI, por evitar a formação de biofilme, responsável por cerca de 23 tipos diferentes de contaminantes biológicos e perdas energéticas da ordem de 20%. Nas unidades DOAS, aplica-se processo germicida UVGI; nas UTAs, a operação ocorre com serpentinas secas.
Conclusão
O processo holístico de tratamento de ar por integração exergética não só não incorre nos 86% adicionais de uso energético a que se refere a abordagemanterior em relação ao equipamento híbrido de refrigeração – mecânico + dessecante – como avança ao evitar 16% da potência em resfriamento e aquecimento específicos, além de majorar a eficiência dos ciclos termodinâmicos na produção de frio.
A utilização de 3 patamares distintos na refrigeração,como decorrência dos arranjos em cascatas na geração e no uso – incluindo processos radiantes de resfriamento – resulta em reduções de 42% na demanda elétrica das instalações, 45% em uso de água por evaporação em torres de resfriamento – pela redução da demanda e melhoria da eficiência termodinâmica – e eliminação de emissões decorrentes de geração de calor por boilers à combustão, evitadas no pós-aquecimento do ar hiperdesumidificado em ciclo run-around nas DOAS.Há casos de empreendimentos de grande porte com projetos de nossa autoria, em que o ciclo run-around nas unidades DOAS evitou a implantação e a demanda térmica correspondentes a 670 TR, de frio e de calor, reduzindo 7.600 MWh elétricos, 66.300 m³ de água e 3.740 t CO2e, por ano.
Considerando a amplitude da exigência no tratamento do fluxo de ar a ser desumidificado intensivamente, na entrada da DOAS, após o pré-tratamento no ERV, a temperatura de bulbo seco situa-se em torno de 26°C, com entalpia em torno de 60 kJ/kg, o que indica ser possível adotar temperatura de saída da água das DOAS 18°C, abaixo, ainda, da temperatura de orvalho do ar de entrada.Como o processo de desacoplamento total resulta em resfriar o ar até 6°C, é necessário reaquecê-lo para 13°C, temperatura de orvalho do ar para 24°C e 50% de umidade relativa.E a água,a temperatura de18°C na saída da DOAS, constitui-se no processo mais eficiente, uma vez que ao fazê-lo recebe,em contrapartida, potência frigorífica equivalente à do reaquecimento. Inverte-se o conceito inicial entre fluido primário – que resfria, e secundário – que é resfriado.
O ar,a temperatura de bulbo seco 7°C, transforma-se no fluido que resfria, e a água,a temperatura de 18°C, no fluido a ser resfriado. Sistemas triviais com água a7°C e retorno a12,5°C não teriam essa visibilidade de operação integrada em cascata. Tampouco o sistema com refrigeração híbrida, pois, ao fazer uso do processo dessecante para desumidificar entrega, como subproduto, aquecimento, diferentemente das UTAEsque desumidificam concomitantemente com resfriamento, com COP termodinâmico combinado de 6.
Há disponível, no mercado brasileiro, unidades DOAS por expansão indireta que utilizam ciclo run-around como interface entre o ar tratado e a produção de frio, constituindo-se, também, em chillers virtuais como consequência do pós-aquecimento.Os desenhos representados em diagrama psicrométrico expõem 3 tecnologias com diferentes estratégias para a desumidificação do ar e controle da umidade em ambientes ocupacionais e de processos:
1) Desacoplamento total por resfriamento profundo, com expansão indireta;
2) Desacoplamento total por dessecagem e arrefecimento por estágios,com água a29°C (torre de resfriamento) e mecânico (água gelada a12°C);
3) Desacoplamento total por refrigeração híbrida, mecânica + dessecante.
Francisco Dantas é engenheiro mecânico, projetista e consultor em sistemas de eficientização energética; é diretor técnicoda Interplan Planejamento Térmico Integrado
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